河南省淺層地下水重金屬污染特征研究

田鵬州,李愛勤,張曉偲,王鵬飛,劉 勇

(1.河南省資源環(huán)境調(diào)查一院,河南 鄭州 450016;2.河南省自然資源科技創(chuàng)新中心(地下水環(huán)境監(jiān)測修復(fù)研究),河南 鄭州 450016)

水資源作為地球陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是人類社會生存與發(fā)展的主要自然資源[1-2]。近幾十年來,隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展,人們生活水平得到了顯著的提升,與之相關(guān)的土壤、大氣和地下水污染與防治等生態(tài)環(huán)境問題開始進(jìn)入人們的視野,并逐漸成為公眾關(guān)注的熱點問題[3]。特別是淺層地下水中的重金屬污染與防治問題直接關(guān)乎人民群眾生命安全與身體健康,已經(jīng)成為地方政府及有關(guān)部門工作的重中之重。已有研究表明,自然界和人類活動所產(chǎn)生的重金屬,一部分直接通過地表水系統(tǒng)而進(jìn)入地下水系統(tǒng),另一部分則是通過大氣環(huán)流及干濕沉降,再通過地表水雨水下滲等過程,并經(jīng)過復(fù)雜的地球化學(xué)、地表遷移等作用進(jìn)入地下水系統(tǒng),直接對地下水系統(tǒng)中的淺層地下水環(huán)境造成污染破壞[1,3-4]。

河南省是農(nóng)業(yè)大省、工業(yè)大省,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動、工業(yè)企業(yè)發(fā)展十分迅速,其中涉重金屬行業(yè)企業(yè)更具有數(shù)量多、分布范圍廣等特點,且部分涉重企業(yè)工藝技術(shù)落后,生產(chǎn)裝備水平低、環(huán)保設(shè)施簡陋、污染防控意識不強(qiáng),造成區(qū)域內(nèi)土壤、地下水等環(huán)境污染風(fēng)險大[4-5]。截至目前,全省已有7個縣(市、區(qū))被列為國家級重金屬污染防控區(qū),直接威脅人民群眾生命安全和經(jīng)濟(jì)社會的高質(zhì)量發(fā)展[4]。因此,以淺層地下水中常見的鐵、錳等10種重金屬元素為研究對象,通過實地采樣,研究河南省淺層地下水重金屬污染特征研究對掌握河南省地下水重金屬污染特征、開展地下水污染防治工作具有重要指導(dǎo)價值,對保障區(qū)域人民身體健康、推動實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義。

1 研究區(qū)水文地質(zhì)概況

河南省淺層地下水主要分布在黃淮海沖積平原、太行山前傾斜平原、伊洛盆地和黃河、淮河支流河谷地帶。含水層巖性主要為沖積、沖洪積砂、砂礫、卵礫石等,結(jié)構(gòu)松散,分選性好,普遍為二元結(jié)構(gòu)。具有埋藏淺、厚度大、分布廣而穩(wěn)定、滲透性強(qiáng)、補(bǔ)給快、儲存條件好、富水性好等特點。該含水層組一般為潛水,局部為微承壓水,含水層底板埋深一般60～120 m,最深可達(dá)140 m。主要補(bǔ)給來源為大氣降水,其次是河渠滲漏、灌溉回滲及地下水的側(cè)向徑流補(bǔ)給等。平原區(qū)徑流總體為西北向東南,區(qū)域降落漏斗由周圍向漏斗中心徑流。淺層地下水的排泄方式主要為人工開采和蒸發(fā),其次為水平側(cè)向徑流及向中深層越流。

研究數(shù)據(jù)來源于全省421個地下水環(huán)境監(jiān)測站點進(jìn)行水樣取樣及實驗室化驗,采樣點分布如圖1所示。取樣數(shù)量較多,分布范圍較廣,基本上可以反映河南省淺層地下水水質(zhì)現(xiàn)狀情況(圖2)。

圖1 河南省淺層地下水監(jiān)測井位置分布Fig.1 Location distribution of shallow groundwater monitoring wells in Henan Province

圖2 河南省淺層地下水礦化度等值線Fig.2 Contours of shallow groundwater mineralization in Henan Province

2 河南省淺層地下水重金屬污染評價

根據(jù)421組淺層地下水水樣水質(zhì)化驗結(jié)果,按照《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022),對河南省淺層地下水中鐵、錳、鋁、砷、鎘、鉻、汞、鉛、銅、鋅等重金屬元素進(jìn)行單項評價,并進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)分析(表1)。

表1 河南省淺層地下水水質(zhì)評價表Tab.1 Shallow groundwater quality evaluation in Henan Province

由表1可以看出,421組水樣中鐵元素超標(biāo)率為20.90%,最大超標(biāo)倍數(shù)達(dá)19.67倍;錳元素超標(biāo)率為56.53%,最大超標(biāo)倍數(shù)達(dá)31.00倍;鋁元素超標(biāo)率為12.59%,最大超標(biāo)倍數(shù)為14.70倍;砷元素超標(biāo)率為11.88%,最大超標(biāo)倍數(shù)達(dá)2.50倍;鉛元素超標(biāo)比例為1.19%,最大超標(biāo)倍數(shù)為5.00倍;鎘、鉻、汞、銅、鋅5種元素均未超過地下水質(zhì)界限值。由此可見,鐵、錳、鋁、砷4種重金屬元素是河南省淺層地下水環(huán)境重金屬污染比較突出的,需要引起各有關(guān)部門重點關(guān)注,且4種元素的變異系數(shù)較大,分別為2.18、1.42、2.10和1.98,說明以上4種重金屬元素空間分布上變化幅度較大,受水文地質(zhì)條件、降水及人類活動等外部環(huán)境的影響更為明顯,區(qū)域穩(wěn)定性較差。

3 地下水重金屬離子空間分布特征及污染原因分析

掌握重金屬元素分布空間特征是淺層地下水重金屬污染與防治的基礎(chǔ)性工作,大量研究也表明,克里金插值法在自然地理要素空間分布研究中具有較好的效果,能夠真實有效地反映相關(guān)要素的空間分布格局特征[6-7]。針對河南省淺層地下水環(huán)境中比較突出的鐵、錳、鋁、砷4種重金屬元素,運用Surfer軟件中克里金插值法對4種重金屬元素含量進(jìn)行空間插值并繪制等值線(圖3—圖6),以進(jìn)一步分析河南省淺層地下水重金屬空間分布特征,污染范圍以及與涉重企業(yè)之間的相關(guān)性。

圖3 河南省淺層地下水鐵離子空間分布Fig.3 Spatial distribution of iron ions in shallow groundwater of Henan Province

3.1 淺層地下水重金屬元素空間分布特征

3.1.1 鐵元素空間分布特征

從河南省淺層地下水鐵元素空間分布特征(圖3)可以看出,河南省淺層地下水中鐵元素含量在空間分布上具有明顯的區(qū)域差異性,黃河南北差別十分明顯。

鐵元素超標(biāo)嚴(yán)重的區(qū)域主要分布在安陽市東部、濮陽市北部、新鄉(xiāng)市東北部、三門峽市東北部、鄭州市東北部、開封市中部、商丘市、許昌市、信陽市東部以及南陽市南部,分布范圍廣,涉及城市比較多。其中,安陽市、濮陽市、商丘市等豫東北地區(qū)以及許昌市、南陽市淺層地下水鐵離子超標(biāo)區(qū)是以涉重企業(yè)及附近為中心,含量逐步向四周減小。可以看出,一定范圍內(nèi)淺層地下水中鐵元素的分布受涉重企業(yè)影響較大,占淺層地下水鐵元素超標(biāo)區(qū)的75%,加強(qiáng)鐵元素超標(biāo)區(qū)域涉重企業(yè)監(jiān)測監(jiān)管力度,是淺層地下水鐵元素污染恢復(fù)治理的關(guān)鍵之舉。

3.1.2 錳元素空間分布特征

從河南省淺層地下水錳元素空間分布特征(圖4)可以看出,河南省淺層地下水中錳元素含量在空間分布上較為集中,點狀特征明顯。空間分布上比較集中于豫中的駐馬店、許昌和周口西部等部分農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)發(fā)達(dá)區(qū)域。其次,主要分布在洛陽西部和三門峽東部等礦山開采冶煉比較集中的區(qū)域,以及新鄉(xiāng)和商丘的部分有色金屬冶煉等集中分布區(qū)域,其中信陽的固始縣錳元素也存在超標(biāo)現(xiàn)象。從錳元素含量空間分布與河南省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展特征來看,河南省淺層地下水中錳等重金屬元素的分布既受地下水背景含量的影響,也受人類農(nóng)業(yè)、工業(yè)等生產(chǎn)活動的影響,并且人類活動干擾特征愈加明顯。

圖4 河南省淺層地下水錳離子空間分布Fig.4 Spatial distribution of manganese ions in shallow groundwater in Henan Province

3.1.3 鋁元素空間分布特征

從河南省淺層地下水鋁元素空間分布特征(圖5)可以看出,河南省淺層地下水中鋁元素含量在空間分布上較為集中,重污染區(qū)域突出。全省范圍內(nèi)鋁元素超標(biāo)區(qū)域主要分布在豫東的商丘、豫中的許昌和平頂山等區(qū)域,其他部分區(qū)域淺層地下水中鋁元素含量一般或接近限制,比較突出的是商丘地區(qū),淺層地下水中鋁元素含量達(dá)到1.5 mg/L,遠(yuǎn)高于國家規(guī)定的0.2 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)。這一方面受商丘特殊地形地貌的影響,位于黃河故道及相關(guān)水系下游,易于重金屬元素的集聚;另一方面商丘市集聚了大量的鋁制品企業(yè),相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模大、范圍廣,長久以來也對周邊區(qū)域及地下水環(huán)境產(chǎn)生較大影響,導(dǎo)致淺層地下水鋁元素含量明顯高于其他區(qū)域。

圖5 河南省淺層地下水鋁離子空間分布Fig.5 Spatial distribution of aluminum ions in shallow groundwater in Henan Province

3.1.4 砷元素空間分布特征

從河南省淺層地下水砷元素空間分布特征(圖6)可以看出,河南省淺層地下水中砷元素含量在空間分布上比較集中,呈點狀分布。砷元素超標(biāo)區(qū)域集中分布在新鄉(xiāng)的原陽和新鄉(xiāng)縣、開封的蘭考、鄭州的鞏義以及三門峽的濱湖區(qū)等工業(yè)產(chǎn)業(yè)比較集中區(qū)域,區(qū)域性特征十分明顯。從河南省淺層地下水中砷元素分布與產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu)來看,全省淺層地下水中砷元素的分布與涉重企業(yè)的分布有比較強(qiáng)的相關(guān)性。如何加強(qiáng)涉重企業(yè)周邊土壤、水等環(huán)境中重金屬含量的監(jiān)測與監(jiān)管,是防治地下水環(huán)境重金屬污染的關(guān)鍵。

圖6 河南省淺層地下水砷離子空間分布Fig.6 Spatial distribution of arsenic ions in shallow groundwater in Henan Province

3.2 地下水重金屬污染原因分析

結(jié)合以上河南省淺層地下水中鐵、錳、鋁、砷4種重金屬元素超標(biāo)情況的空間分布特征,以及河南省水文地質(zhì)條件和社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)構(gòu),認(rèn)為河南省淺層地下水中鐵、錳、鋁、砷等重金屬元素超標(biāo)的主要原因為受河南省區(qū)域淺層地下水鐵、錳、鋁、砷等重金屬元素含量本底值高,導(dǎo)致了部分區(qū)域淺層地下水中相關(guān)重金屬元素超標(biāo)。同時,部分涉重企業(yè)缺乏相關(guān)環(huán)保措施,企業(yè)生產(chǎn)過程中造成有關(guān)重金屬通過大氣、降雨等過程進(jìn)入地下水環(huán)境,造成區(qū)域內(nèi)淺層地下水環(huán)境中重金屬含量的超標(biāo),這也是未來地方政府在重金屬污染治理中急需關(guān)注的內(nèi)容。另一方面,受豐水年降水量增多以及近些年豫東豫北等區(qū)域地下水的限制開采,地下水水位開始上升,與受污染的土壤發(fā)生溶濾作用,使土壤中的重金屬離子重新遷移至地下水中,進(jìn)一步加劇了區(qū)域淺層地下水重金屬含量超標(biāo)。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

(1)河南省淺層地下水中重金屬元素含量存在不同程度超標(biāo)現(xiàn)象,其中鐵、錳、鋁、砷4種元素污染問題尤為突出。鐵、錳、鋁、砷四種元素超標(biāo)率分別為20.90%、56.53%、12.59%、11.88%,最大超標(biāo)倍數(shù)分別為19.67、31、14.70和2.50倍;變異系數(shù)分別為2.18、1.42、2.10和1.98。

(2)河南省淺層地下水中鐵、錳、鋁、砷4種元素超標(biāo)現(xiàn)象呈現(xiàn)明顯區(qū)域性特征。鐵元素超標(biāo)區(qū)主要分布在安陽市東部、濮陽市北部、新鄉(xiāng)市東北部、三門峽市東北部、鄭州市東北部、開封市中部、商丘市、許昌市等區(qū)域。錳元素超標(biāo)區(qū)主要分布在駐馬店、許昌和周口西部、洛陽西部和三門峽東部等區(qū)域;鋁元素超標(biāo)區(qū)域集中分布在豫東的商丘、豫中的許昌和平頂山等區(qū)域;砷元素超標(biāo)區(qū)域集中分布在新鄉(xiāng)的原陽和新鄉(xiāng)縣、開封的蘭考、鄭州的鞏義,以及三門峽的濱湖區(qū)等區(qū)域。

(3)河南省淺層地下水鐵、錳、鋁、砷4種重金屬元素超標(biāo),一方面受區(qū)域地下水重金屬元素含量本底值較高影響,另一方面部分涉重企業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活等過程影響,部分重金屬元素隨降雨和地下水溶濾等作用進(jìn)入地下水系統(tǒng),造成區(qū)域內(nèi)淺層地下水中相關(guān)重金屬含量超標(biāo)。

4.2 建議

(1)有關(guān)部門加大涉重企業(yè)土壤污染監(jiān)督力度,淘汰生產(chǎn)工藝落后、污染嚴(yán)重的企業(yè)。開展企業(yè)環(huán)境影響評價工作,并建立健全土壤環(huán)境污染防治監(jiān)測管理體系。

(2)開展地下水污染溯源調(diào)查工作,進(jìn)一步確定地下水污染原因,對地下水污染進(jìn)行源頭治理,并加大地下水環(huán)境監(jiān)測力度,建立地下水環(huán)境污染防治監(jiān)測體系。

(3)完善管理體系,合理劃分部門職責(zé),實現(xiàn)土壤與地下水污染協(xié)同治理。